DE102017008241A1 - Method of providing oxygen in vehicles and mobile unit therefor - Google Patents
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Abstract
Bei dem Verfahren zur Bereitstellung von Sauerstoff in Fahrzeugen wird in einer in einem Fahrzeug angeordneten mobilen Einheit aus der Umgebungsluft mittels selektiver keramischer Gastrennmembranen mit Sauerstoffionen- und Elektronenleitung bei erhöhter Temperatur zwischen 500 °C und 900 °C Sauerstoff separiert, von einer Pumpe abgesaugt und in den Fahrzeugraum eingeleitet. Eine mobile Einheit für die Bereitstellung des Sauerstoffs in Fahrzeugen weist eine Gastrennmembran mit Sauerstoffionen- und Elektronenleitung, ausgebildet als Bündel einseitig geschlossener Röhrchen aus perowskitischem Material, aus sowie einen wärmeisolierten Heizzylinder, der die bündelförmige Gastrennmembran umgibt, wobei die offenen Enden der Röhrchen auf der Permeatseite mit einer Membranpumpe verbunden sind, die den separierten Sauerstoff über ein Verbindungsmittel in den Fahrzeugraum leitet.In the method for providing oxygen in vehicles in a vehicle-mounted mobile unit from the ambient air is separated by selective ceramic gas separation membranes with oxygen ion and electron conduction at elevated temperature between 500 ° C and 900 ° C oxygen, sucked by a pump and in initiated the vehicle compartment. A mobile unit for providing oxygen in vehicles comprises a gas separation membrane having oxygen ion and electron conduction formed as a bundle of unilaterally closed tubes of perovskite material, and a thermally insulated heating cylinder surrounding the bundled gas separation membrane, the open ends of the tubes being on the permeate side are connected to a diaphragm pump, which conducts the separated oxygen via a connecting means in the vehicle compartment.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von Sauerstoff für die Atmung der Insassen in Fahrzeugen und mobile Einheit hierfür.The invention relates to a method for providing oxygen for the breathing of the occupants in vehicles and mobile unit therefor.
Gesundheit, Vitalität, Leistungsfähigkeit und Wohlbefinden sind Voraussetzungen für die sichere Führung eines Kraftfahrzeuges. Diese Voraussetzungen sind nur gegeben, wenn ausreichend Sauerstoff dem Körper des Fahrers zugeführt wird. Sauerstoff kann nicht gespeichert werden. Eine jederzeit optimale Versorgung mit Sauerstoff ist die Voraussetzung für einen vollständigen, effizienten Stoffwechsel. Sauerstoffmangel im Fahrzeug kann auftreten bei geschlossener Fahrerkabine oder beim Fahren in stark abgasbelasteter Luft.Health, vitality, performance and well-being are prerequisites for the safe management of a motor vehicle. These conditions are only given if sufficient oxygen is supplied to the body of the driver. Oxygen can not be stored. An optimal supply of oxygen at all times is the prerequisite for a complete, efficient metabolism. Lack of oxygen in the vehicle can occur when the driver's cab is closed or when driving in heavily polluted air.
Für die Versorgung mit frischem Sauerstoff im Fahrzeug sind dem Stand der Technik nach unterschiedliche Verfahren bekannt, die in mobilen Einheiten realisiert und damit verfügbar sind.
- 1. Medizinischer Flüssigsauerstoff LOX. Hierbei werden aus einem stationären Thermosbehälter mit flüssigem Sauerstoff (-183 °C) mobile Geräte gefüllt und im Fahrzeug entladen.
- 2. Sauerstoff aus Gasflaschen GOX, z.B. Sauerstoffflasche 0,81 mit 200 bar oder Behälter mit Sauerstoff unter geringem Druck wie SixPac 6×6 Dosen.
- 3. Konzentratoren CONC, auch VPSA-Technologie (Vakuum-Pressure-Swing-Adsorption). Dabei wird die unterschiedliche Adsorptionsfähigkeit von Sauerstoff und Stickstoff an Molekularsieben wie Zeolithe genutzt.
- 1. Medical liquid oxygen LOX. Here, mobile devices are filled from a stationary thermos container with liquid oxygen (-183 ° C) and discharged in the vehicle.
- 2. Oxygen from gas bottles GOX, eg oxygen cylinder 0.81 with 200 bar or container with oxygen under low pressure like SixPac 6 × 6 cans.
- 3. Concentrators CONC, also VPSA technology (vacuum pressure swing adsorption). The different adsorption capacity of oxygen and nitrogen on molecular sieves such as zeolites is used.
Es gibt weitere erprobte Verfahren der Sauerstofferzeugung, die auf Grund der Größe der technischen Ausrüstung (Linde-Verfahren der Luftverflüssigung und Rektifikation) oder aus arbeitsschutztechnischen Gründen (Peroxidzersetzung, Wasserelektrolyse) nicht für Fahrzeuge geeignet sind.There are other proven methods of oxygen production, which are not suitable for vehicles because of the size of the technical equipment (Linde process of air liquefaction and rectification) or for industrial safety reasons (peroxide decomposition, water electrolysis).
Alle existierenden mobilen Geräte zur Sauerstoffbereitstellung haben gravierende Nachteile. Sauerstoff kann Brände verursachen oder verstärken. Deshalb stellt gespeicherter Sauerstoff in Gasflaschen eine Gefährdung im Auto dar. Gas unter Druck kann bei Erwärmung explodieren. Sauerstoff nach der VPSA-Technologie ist gerätemäßig aufwendig herzustellen. Keim- und Feinstaubfreiheit sind nicht gegeben.All existing mobile oxygen delivery devices have serious disadvantages. Oxygen can cause or increase fires. Therefore, stored oxygen in gas cylinders represents a hazard in the car. Gas under pressure can explode when heated. Oxygen according to the VPSA technology is technically complicated to produce. Germ-and Feinstaubfreiheit are not given.
Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, ein Verfahren zur Sauerstoffbereitstellung für die Insassen eines Fahrzeugs anzugeben, bei dem eine Speicherung des Sauerstoffs nicht notwendig ist, der erzeugte Sauerstoff nicht unter Druck steht und keim- und staubfrei ist. Außerdem soll eine mobile Einheit angegeben werden, mit der das Verfahren im Fahrzeug realisiert werden kann.The object of the invention is therefore to provide a method for supplying oxygen to the occupants of a vehicle, in which a storage of the oxygen is not necessary, the oxygen produced is not under pressure and is germ and dust free. In addition, a mobile unit is to be specified, with which the method can be implemented in the vehicle.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem in einer in einem Fahrzeug angeordneten mobilen Einheit Sauerstoff aus der Umgebungsluft mittels selektiver keramischer Gastrennmembranen separiert, von einer Pumpe abgesaugt und in den Fahrzeugraum eingeleitet wird.The object is achieved by a method in which, in a mobile unit arranged in a vehicle, oxygen is separated from the ambient air by means of selective ceramic gas separation membranes, aspirated by a pump and introduced into the vehicle compartment.
Dabei wird die bekannte Wirkung ausgenutzt, dass bei erhöhter Temperatur in eine keramische Membran mit Sauerstoffionen- und Elektronenleitung eintretende Umgebungsluft aufgrund von Unterschieden im Sauerstoffdruck auf beiden Membranseiten Sauerstoff separiert wird. Ein Sauerstoff-Luft-Gemisch tritt dabei in die Membran ein, wird separiert und auf der anderen Seite von einer Pumpe abgesaugt und im Fahrgastraum zur Atmung bereitgestellt.In this case, the known effect is exploited that at elevated temperature in a ceramic membrane with oxygen ion and electron conduction entering ambient air due to differences in oxygen pressure on both sides of the membrane oxygen is separated. An oxygen-air mixture enters into the membrane, is separated and sucked off on the other side by a pump and provided in the passenger compartment for breathing.
Die festkörperchemischen, -physikalischen und werkstoffkundlichen Aspekte dieses Verfahrens sind dargestellt in: M.Schulz: Charakterisierung und Modellierung des Material- und Bauteilverhaltens keramischer Membranen für die Sauerstoffbereitstellung des Systems Sr0,5Ca0,5Mn1-yFeyO3-δ unter Einbeziehung von Gas-Festkörper-Wechselwirkungen, Schriftenreihe Kompetenzen in Keramik, Fraunhofer Institut IKTS, Band 10 (2011).The solid-state, physical and material aspects of this process are described in: M. Schulz: Characterization and Modeling of the Material and Component Behavior of Ceramic Membranes for the Oxygen Supply of the System Sr 0.5 Ca 0.5 Mn 1-y Fe y O 3 δ involving gas-solid interactions, series of publications Competencies in Ceramics, Fraunhofer Institute IKTS, Volume 10 (2011).
In der Dissertation von Yevgeniy Nazarko (2015) mit dem Thema „Energetische und wirtschaftliche Optimierung eines membranbasierten Oxyfuel-Dampfkraftwerkes“ (ISBN 978-3-95806-065-4) wird ein Überblick zu Gastrennmembranen für die Sauerstoffbereitstellung (S. 72/73) gegeben und sind die physikalisch-chemischen Grundlagen der Sauerstoffabtrennung mittels Mischleiter unter Berücksichtigung der ionischen und elektronischen Leitfähigkeit (S. 74/75), z.B. von perowskitischen Materialien, beschrieben.In the thesis of Yevgeniy Nazarko (2015) with the topic "Energetic and economic optimization of a membrane-based oxyfuel steam power plant" (ISBN 978-3-95806-065-4), an overview of gas separation membranes for oxygen supply (p. 72/73) and are the physico-chemical principles of oxygen separation by means of mixed conductors taking into account the ionic and electronic conductivity (p. 74/75), eg of perovskite materials.
Keramische Membranen zur Gasseparation sind bisher bei der Anwendung in fossil befeuerten Kraftwerken (Carbon Capture Technology) bekannt, ihr Einsatz soll aber auch die Effizienz in Prozessen der chemischen und petrochemischen Industrie verbessern. Ein Vorschlag für den Einsatz dieser Sauerstoffgewinnung für die Atemluft in Kraftfahrzeugen ist bisher nicht bekannt.Ceramic membranes for gas separation have hitherto been known for use in fossil fuel fired power plants (Carbon Capture Technology), but their use is also intended to improve the efficiency in processes of the chemical and petrochemical industries. A proposal for the use of this oxygen production for the breathing air in motor vehicles is not yet known.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist die gravierenden Nachteile der gemäß Stand der Technik beschriebenen Verfahren zur Bereitstellung von Sauerstoff in Fahrzeugen nicht auf, denn der zur Atmung der Fahrzeuginsassen bereitgestellte Sauerstoff ist völlig frei von anderen Stoffen wie Fremdgasen, Stäuben, Gerüchen, ist absolut keimfrei und befindet sich bei Normaldruck.The inventive method does not have the serious disadvantages of the described in the prior art method for providing oxygen in vehicles, because the oxygen provided for breathing the vehicle occupants is completely free of other substances such as foreign gases, dusts, odors, is absolutely germ-free and located at normal pressure.
Der Sauerstoff kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gezielt nur in einer Menge für den augenblicklichen Verbrauch zur Verfügung gestellt werden, weshalb eine Bevorratung von Sauerstoff nicht notwendig ist.The oxygen can be selectively provided with the method according to the invention only in an amount for the instantaneous consumption, which is why a storage of oxygen is not necessary.
In Ausführungsformen der Erfindung ist vorgesehen, für die Gastrennmembran perowskitisches Material zu verwenden. Die Gastrennmembran kann als Bündel einseitig geschlossener Röhrchen ausgebildet sein.In embodiments of the invention it is intended to use perovskite material for the gas separation membrane. The gas separation membrane may be formed as a bundle of unilaterally closed tubes.
Für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist eine mobile Einheit für die Bereitstellung von Sauerstoff in Fahrzeugen, eine Gastrennmembran mit Sauerstoffionen- und Elektronenleitung auf. Die Gastrennmembran ist als Bündel einseitig geschlossener Röhrchen aus perowskitischem Material ausgebildet. Ein wärmeisolierte Heizzylinder umgibt die bündelförmige Gastrennmembran. Die offenen Enden der Röhrchen auf der Permeatseite der Gastrennmembran sind mit einer Membranpumpe verbunden, die den separierten Sauerstoff über ein Verbindungsmittel in den Fahrzeugraum leitet.For carrying out the method according to the invention, a mobile unit for providing oxygen in vehicles has a gas separation membrane with oxygen ion and electron conduction. The gas separation membrane is formed as a bundle of unilaterally closed tubes made of perovskite material. A thermally insulated heating cylinder surrounds the bundle-shaped gas separation membrane. The open ends of the tubes on the permeate side of the gas separation membrane are connected to a diaphragm pump which directs the separated oxygen via a connecting means into the vehicle compartment.
In einer Ausführungsform der mobilen Einheit ist vorgesehen, dass ein im Fahrzeug vorhandenes Mittel zur Rotation gleichzeitig dem Antrieb der Membranpumpe dient.In one embodiment of the mobile unit, it is provided that a means for rotation provided in the vehicle simultaneously serves to drive the diaphragm pump.
Dem Fachmann ist es möglich, je nach erforderlicher Sauerstoffmenge, verwendetem Membrantyp und -material eine mobile Einheit für die Bereitstellung von Sauerstoff in Fahrzeugen anzupassen.It is possible for a person skilled in the art, depending on the required amount of oxygen, membrane type and material used, to adapt a mobile unit for the provision of oxygen in vehicles.
Die Erfindung soll in folgendem Ausführungsbeispiel näher beschrieben werden:The invention will be described in more detail in the following embodiment:
Ein Bündel aus sechs einseitig geschlossene Röhrchen aus dem perowskitischen Material Ba0,5Sr0,5Co0,8Fe0,2O3-ϑ in den Abmessungen Durchmesser 3 mm, Wandstärke 0,3 mm und Länge 200 mm ist von einem auf 850 °C erwärmten, gut wärmeisolierten Heizzylinder umgeben. Die offenen Enden der Röhrchen stecken in einem Pfropfen aus Silikongummi, der sich im Durchmesser verjüngt,und mit einer Membranpumpe verbunden ist. Der Ausgang der Pumpe ist mit einem Schlauch versehen zur Ableitung des Sauerstoffs. Die erzeugte Sauerstoffmenge beträgt 4 l/min. Heizung und Pumpe mit einem Leistungsbedarf von 180 W sind an den Stromkreislauf des Fahrzeuges gekoppelt und in einer Box mit den Abmessungen 24×20×16 cm3 im Gepäckraum untergebracht. Der Schlauch mit dem Sauerstoff ist in den Fahrgastraum geführt.A bundle of six tubes closed on one side of the perovskite material Ba 0.5 Sr 0.5 Co 0.8 Fe 0.2 O 3-θ in the dimensions of diameter 3 mm, wall thickness 0.3 mm and length 200 mm is of a surrounded to 850 ° C, well insulated heat cylinder surrounded. The open ends of the tubes are stuck in a plug of silicone rubber which tapers in diameter and is connected to a diaphragm pump. The output of the pump is provided with a hose for the discharge of oxygen. The amount of oxygen produced is 4 l / min. Heating and pump with a power requirement of 180 W are coupled to the power circuit of the vehicle and housed in a box with dimensions of 24 × 20 × 16 cm 3 in the luggage compartment. The hose with the oxygen is led into the passenger compartment.
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2017
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